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近年來(lái)，消費類(lèi)無(wú)人機越來(lái)越受歡迎，用于拍攝震撼的的片段、運送救援物資，甚至用于競賽。大多數無(wú)人機使用各種傳感技術(shù)實(shí)現自主導航、碰撞檢測和許多其他功能。超聲波傳感尤其有助于無(wú)人機著(zhù)陸、懸停和地面跟蹤。 無(wú)人機降落輔助是無(wú)人機所具有的一項功能，可以檢測無(wú)人機底部與著(zhù)陸區域的距離，判定著(zhù)陸點(diǎn)是否安全，然后緩慢下降到著(zhù)陸區域。盡管GPS監測、氣壓傳感和其他傳感技術(shù)有助于著(zhù)陸過(guò)程，但在這個(gè)過(guò)程中，超聲波傳感是無(wú)人機的主要和最準確的判斷依據。大多數無(wú)人機中還有懸停和地面跟蹤模式，主要用于捕捉連續鏡頭和陸地導航，其中超聲波傳感器有助于將無(wú)人機保持在高于地面的恒定高度。本博文系列的第1部分討論了如何將超聲波傳感器與汽車(chē)應用相結合。本博文將探討超聲波傳感可用于無(wú)人機應用的原因。 超聲波原理 超聲波的定義是使用高于人類(lèi)聽(tīng)力上限頻率的聲波 —— 見(jiàn)圖1。 
圖1：超聲波范圍 超聲波可以穿過(guò)各種介質(zhì)（氣體、液體、固體）來(lái)檢測聲阻抗不匹配的物體。聲速是聲波在彈性介質(zhì)中傳播時(shí)每單位時(shí)間的距離。例如，在20°C (68°F)的干燥空氣中，聲速為343米每秒（1,125英尺每秒）�？諝庵械某暡ㄋp隨著(zhù)頻率和濕度的增加而增加。因此，由于過(guò)度的路徑損耗/吸收，空氣耦合超聲波通常被限制在500kHz以下的頻率。 超聲波ToF 與許多超聲波傳感應用一樣，無(wú)人機著(zhù)陸輔助系統使用飛行時(shí)間（ToF）原理。ToF是從傳感器發(fā)射到目標物體，然后從物體反射回傳感器的超聲波的往返時(shí)間估計，如圖2所示。
圖2：用于無(wú)人機著(zhù)陸的超聲波ToF示意圖 在圖2和圖3中的點(diǎn)1，無(wú)人機的超聲波傳感器發(fā)出聲波，在返回信號處理路徑上表示為飽和數據。發(fā)送后，信號處理路徑變?yōu)殪o音（點(diǎn)2），直到回波從物體反射回來(lái)（點(diǎn)3）為止。
圖3：超聲波ToF的相位 公式1計算從無(wú)人機到地面或從無(wú)人機到另一個(gè)物體的距離：
距離（d）是從無(wú)人機上的超聲波傳感器到地面/物體的距離，ToF（t）是前面定義的ToF，而SpeedOfSound（v）是通過(guò)介質(zhì)的聲速。ToF（t）×SpeedOfSound（v）除以2，因為T(mén)oF計算超聲回波往返物體的時(shí)間。 為什么要將超聲波感應用于無(wú)人機著(zhù)陸？ 雖然眾多的傳感技術(shù)可以檢測物體的接近程度，但是超聲波傳感可在無(wú)人機著(zhù)陸時(shí)的探測距離、方案成本以及不同表面的可靠性方面良好運行。 無(wú)人機地面跟蹤和著(zhù)陸的共同要求是能夠可靠地檢測到距離地面5米高的距離。假設信號調節和處理正確，40-60kHz范圍內的超聲波傳感器通�？梢詽M(mǎn)足這個(gè)范圍。 德州儀器的PGA460是超聲波信號處理器和傳感器驅動(dòng)器，用于無(wú)人機等空氣耦合應用中的超聲波傳感，可達到或超過(guò)5米的要求。然而，超聲波傳感的協(xié)調是物體近場(chǎng)檢測中的限制。所有用于空氣耦合應用的超聲波傳感器都有一段激勵期，稱(chēng)為衰減時(shí)間或振蕩時(shí)間，在這個(gè)時(shí)間內，壓電薄膜振動(dòng)并發(fā)出超聲波能量，難以檢測到任何進(jìn)入的回波。 為了在振鈴期間有效地測量物體，許多無(wú)人機設計者為發(fā)射機和接收機安裝單獨的傳感器。通過(guò)分離接收器，無(wú)人機可以在發(fā)射器的激勵期間檢測物體。因此PGA460具有優(yōu)越的近場(chǎng)檢測性能——低至5cm或更少。 超聲波傳感技術(shù)也是一項具有成本競爭力的技術(shù)，特別是在使用PGA460等集成解決方案時(shí)，其中已包括大部分所需的芯片。PGA460既可以使用半橋或H橋直接驅動(dòng)傳感器，也可以使用變壓器驅動(dòng)傳感器；后者主要用于密封的的“密閉”傳感器。PGA460還包括用于接收和調節超聲回波的完整模擬前端。此外，該器件還可以通過(guò)數字信號處理來(lái)計算ToF（見(jiàn)圖4）。
圖4：PGA460功能框圖 最后，超聲波傳感可以檢測其他技術(shù)難以解決的的表面。例如，無(wú)人機經(jīng)常會(huì )遇到建筑物上的玻璃窗和其他玻璃表面。光傳感技術(shù)有時(shí)會(huì )穿過(guò)玻璃和其他透明材料，這對無(wú)人機懸停在玻璃建筑物上造成困難。超聲波則能夠可靠地反射出玻璃表面。 雖然超聲波傳感主要用于無(wú)人機著(zhù)陸輔助和懸停，但其強大的性?xún)r(jià)比正促使無(wú)人機設計人員探索該技術(shù)的其他應用�？焖侔l(fā)展的無(wú)人機領(lǐng)域潛力巨大。 |
